Nel corso degli ultimi dieci anni, il trattamento del diabete di tipo 1 è stato rimodellato da sistemi di distribuzione dell'insulina a ciclo chiuso, spesso chiamati dispositivi del pancreas artificiale. Questi sistemi combinano un monitor continuo del glucosio (CGM) e una pompa dell'insulina con un algoritmo che regola automaticamente la consegna dell'insulina basato su letture di glucosio in tempo reale.

Come funzionano i dispositivi di pancreas artificiali di oggi

Un dispositivo pancreas artificiale, più precisamente chiamato sistema ibrido a ciclo chiuso, consiste di tre componenti principali: un CGM che misura i livelli di glucosio interstiziale ogni pochi minuti, una pompa di insulina che fornisce insulina ad azione rapida, e un algoritmo di controllo che utilizza i dati CGM per comandare la pompa per aumentare, diminuire o sospendere la consegna dell'insulina.

Quali sono i sensori biodegradabili?

I sensori biodegradabili sono dispositivi impiantabili o indossabili costruiti da materiali che possono rompere in sottoprodotti innocui dopo aver servito il loro scopo. Nel contesto dei sistemi di pancreas artificiali, un sensore biodegradabile funzionerebbe idealmente come CGM per un periodo definito - potenzialmente settimane o mesi - e quindi degradare in sostanze che il corpo può metabolizzare o espellere in modo sicuro.

Materiale chiave Candidati per sensori di glucosio biodegradabili

[LT:0] I materiali di seta sintetica sono un sensore di seta e possono essere trasformati in sottili film o idrogeli che ospitano enzimi sensibili al glucosio o nanoparticelle. I sensori basati sulla seta possono essere adattati per degradare nelle settimane ai mesi regolando le condizioni di lavorazione

Integrazione dei sensori biodegradabili nel pancreas artificiale

Il sistema di controllo dell’insulina è stato utilizzato per la ricerca di un prodotto biodegradabile (LT) che può essere utilizzato per la ricerca di un prodotto biodegradabile (LT) e per la comunicazione wireless.

Potenziale Architettura del Sistema

  • Subcutaneous biodegradable Sensor array:[ Una piccola patch flessibile posta sotto la pelle contenente più elementi di glucosio-sensazione, ciascuno con un tempo di degradazione leggermente diverso per fornire una copertura continua.
  • Cellula biocarburante biodegradabile:[ Converte glucosio e ossigeno in energia elettrica per alimentare il sensore e un piccolo trasmettitore. La cella del combustibile si degrada anche dopo la sua uscita di energia scende.
  • Tag wireless transitorio:[] Un circuito realizzato in magnesio e seta che trasmette dati di glucosio a un ricevitore esterno. Il tag può essere progettato per dissolversi quando bagnato o dopo un periodo impostato.
  • Relè esterno e controllore:[] Un dispositivo indossabile (ad esempio, un smartwatch o una pompa) che riceve i dati del sensore, gestisce l'algoritmo a ciclo chiuso e comanda la pompa dell'insulina.

Vantaggi clinici e ambientali

I sensori biodegradabili offrono diversi vantaggi rispetto ai sensori permanenti o ripetutamente sostituiti:

  • L'imitazione delle procedure di recupero dei sensori] Poiché il sensore si dissolve, non c'è bisogno di un secondo intervento chirurgico per rimuoverlo, ridurre il rischio di infezione e spaventare. Questo è particolarmente utile per i pazienti pediatrici che possono richiedere molte sostituzioni dei sensori durante una vita.
  • Ridotto rifiuti medici. Ogni sensore CGM non degradabile contribuisce a ridurre i rifiuti e i rifiuti elettronici. Un sensore biodegradabile che si trasforma in CO2, acqua e minerali taglia drasticamente questo carico ambientale.
  • Migliorato il comfort e la conformità del paziente.[] Un sensore di lunga durata che non richiede l'inserimento settimanale può ridurre il dolore, l'inconveniente e l'irritazione della pelle associata a frequenti cambiamenti del sensore. Alcuni pazienti sviluppano reazioni allergiche a cerotti adesivi; un sensore biodegradabile potrebbe utilizzare un bioadesivo derivato dal chitosano o dall'alginato meno irritante.
  • Potential per il monitoraggio dei tessuti più profondi. Poiché il sensore non ha bisogno di essere rimosso, potrebbe essere impiantato nei tessuti che non sono facilmente accessibili per la sostituzione frequente, consentendo la misurazione del glucosio in siti alternativi (ad esempio, intramuscolare o nella cavità peritoneale).
  • Siamo molto cari a lungo termine. Sebbene la ricerca iniziale e la produzione possano essere costose, un singolo sensore biodegradabile impiantabile che dura diversi mesi potrebbe essere più conveniente di decine di sensori usa e getta nello stesso periodo, soprattutto quando si prendono in considerazione visite cliniche ridotte per l'addestramento all'inserimento dei sensori.

Sfide attuali e ostacoli tecnici

Nonostante la promessa, diversi ostacoli significativi devono essere superati prima che i sensori biodegradabili possano essere utilizzati nei dispositivi di pancreas artificiali:

Stabilità e precisione del sensore durante la vita

La sfida principale è mantenere accurate letture di glucosio durante l'intero periodo funzionale, soprattutto quando il sensore comincia a degradare. Come il materiale corrode o si rompe, le proprietà elettrochimiche cambiano, portando alla deriva nella calibrazione.

Biocompatibilità e risposta del corpo estraneo

Anche i materiali biodegradabili possono innescare una risposta immunitaria. Il corpo può incapsulare il sensore in una capsula fibrosa, isolandolo dal fluido interstiziale e causando la perdita del segnale. I ricercatori sono sensori di rivestimento con rivestimenti immunomodulatori (ad esempio, con dexamethasone-rilasciando PLGA) per sopprimere la reazione del corpo all'estero.

Comunicazione di potenza e wireless

Il gruppo di ricercatori di energia wireless ALT (in inglese) è in grado di fornire un sensore di potenza biodegradabile, senza dover ricorrere a un sensore di potenza biodegradabile.

Produzione e scalabilità dei costi

Molti dei materiali (ad esempio, fibroina di seta) sono fonte di prodotti naturali con variabilità batch-to-batch. I processi di fabbricazione Clean-room devono essere adattati per gestire componenti biodegradabili senza degradarli durante l'assemblaggio. La fattibilità economica dei sensori biodegradabili rispetto ai sensori monouso stabiliti dipende dal costo dei materiali biocompatibili e dalla resa dei prodotti.

Arredo regolatore

Le agenzie di regolamentazione, tra cui la FDA e l'EMA, non hanno ancora stabilito un percorso chiaro per l'elettronica medica biodegradabile. I prodotti di combinazione che coinvolgono sia un farmaco (ad esempio, rivestimento anti-infiammatorio) e un dispositivo richiedono più complesse sottomissioni. I prodotti di degradazione devono essere provati al sicuro nel lungo periodo, e le prestazioni del sensore devono essere equivalenti o migliori rispetto alle CGM esistenti.

Le direzioni future e la ricerca in corso

Diversi interessanti linee di ricerca potrebbero accelerare la transizione a sensori biodegradabili per sistemi di pancreas artificiali:

  • I sensori multicomplessi che misurano il glucosio con altri biomarcatori[] (ad esempio, chetoni, lattato) potrebbero fornire un quadro metabolico più completo. Utilizzando la stessa piattaforma biodegradabile, i ricercatori TU Darmstadt] hanno fabbricato array che rilevano glucosio e pH simultaneamente.
  • Gli idrogeli intelligenti che gonfiano o cambiano il colore in risposta al glucosio[[] possono fungere da sensori ottici che non richiedono elettricità, che possono essere letti da una sorgente luminosa esterna a infrarossi, eliminando la necessità di un'elettronica impiantata del tutto.
  • Tempi di biodegradazione a ciclo chiuso[[] – progettazione di sensori che degradano ad una velocità controllata in modo che i sensori multipli possano essere impiantati in modo sgombrante, garantendo una copertura continua come una degradazione e la successiva diventa attiva.
  • Algoritmi di apprendimento della macchina[[] che possono interpretare i dati da un sensore degradante e compensare la deriva del segnale potrebbe estendere la vita utile del sensore anche quando comincia a rompersi.
  • Integrazione con microneedle patches[[] che si dissolve completamente—questo permetterebbe l'inserimento indolore e poi scomparire, senza lasciare traccia.

Il percorso per l'adozione clinica

Mentre la visione di un sensore pancreas artificiale completamente biodegradabile è ancora anni di distanza, si sta facendo progressi incrementali. L'applicazione più probabile a breve termine è una CGM biodegradabile che dura per 2-4 settimane e sostituisce i sensori monouso attuali, pur essendo collegato in modo wireless a un trasmettitore esterno.

  1. Dimostrazione del glucosio stabile per almeno 30 giorni in un grande modello animale.
  2. Sviluppo di un collegamento dati wireless e biodegradabile che soddisfa gli standard di comunicazione di livello medico (ad esempio, Medical Implant Communication Service).
  3. Fase I trials umani per confermare la biocompatibilità e nessun effetto negativo di degradazione.
  4. Prove pivotali che confrontano il sistema pancreas artificiale biodegradabile ad un sistema standard a ciclo chiuso in termini di tempo in linea e sicurezza.

Conclusioni

I sensori biodegradabili rappresentano una frontiera della tecnologia del diabete che si allinea con la spinta più ampia verso dispositivi medici sostenibili e a misura di paziente. Eliminando le demozioni chirurgiche, riducendo i rifiuti e potenzialmente consentendo l'impianto a più lungo termine, potrebbero migliorare la qualità della vita per milioni di persone con diabete di tipo 1. Le sfide sono sostanziali, ma la convergenza dei materiali, bioelettronica e controllo del pangenerazione sta portando questa possibilità più vicina alla realtà.